張家文 沈云鵬 沈恒根*

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

與大氣環(huán)境幾乎隔絕的高熱密閉空間多出現(xiàn)在地下建筑、工業(yè)建筑、船舶環(huán)境等。因密閉空間可容納設(shè)備散熱量有限，當(dāng)該空間裝有散熱量較大的設(shè)備時，極易造成密閉空間溫度快速升高，若不采取有效通風(fēng)措施將會造成勞動環(huán)境惡劣、相關(guān)設(shè)備的安全運行得不到保證。一般采用全新風(fēng)換氣降溫往往需要的通風(fēng)量較多、通風(fēng)系統(tǒng)所占據(jù)空間也較大，如一般船舶機(jī)艙的設(shè)備散熱量為陸地機(jī)爐艙的5～6倍[1]，其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計往往較為復(fù)雜。因此，對此類高散熱密閉空間建筑的通風(fēng)系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

近年來CFD仿真模擬的方法被廣泛應(yīng)用于空調(diào)通風(fēng)的氣流組織[2-7]，趙斌[8]等還分析了暖通空調(diào)氣流組織模擬中的不足并提出相關(guān)應(yīng)對策略。本文對常規(guī)使用的全新風(fēng)通風(fēng)方式和擬采用的“室外新風(fēng)+循環(huán)水間接冷卻風(fēng)+射流送風(fēng)”復(fù)合通風(fēng)方式進(jìn)行模擬計算及結(jié)果分析，用于預(yù)測通風(fēng)方式改進(jìn)前后通風(fēng)效果。

1 通風(fēng)降溫方案設(shè)計

1.1 某高散熱密閉空間簡況及熱環(huán)境分析

該高散熱密閉空間與上部主機(jī)進(jìn)、排氣管道間相通，空間尺寸 A×B×H為 18 m×14 m×4 m，兩側(cè)平臺離底面距離1.1 m，內(nèi)有主機(jī)，主機(jī)配套發(fā)電機(jī),輔發(fā)電機(jī)組,鍋爐等設(shè)備及管道。該密閉空間平面示意圖見圖1，各散熱設(shè)備的散熱量見表1。

圖1 密閉空間平面示意圖

表1 密閉空間設(shè)備散熱量

計算密閉空間熱容量QV（kJ/K）為 ：

式中：ρ為空氣密度，k g/m3；C為空氣的定壓比熱容，kJ/(kg ·℃)；V為密閉空間的有效容積，m3。

有效容積V計算公式為：

式中：k為有效容積系數(shù)，%。

在不采取任何通風(fēng)降溫措施的情況下，設(shè)備運行造成該高散熱密閉空間空氣的平均溫升速率△T1（℃/s）為：

式中：QE為設(shè)備正常運行時的總散熱量，kW。

根據(jù)式（1）～（3）計算得：QV=690.3 kJ/℃；△T1=0.30℃/s?？梢姡?密閉空間若不采取任何通風(fēng)措施會造成空氣溫度上升很快，環(huán) 境空間條件極度惡化。

1.2 通風(fēng)方式

1）全新風(fēng)通風(fēng)方式

采用全新風(fēng)方式具有室外風(fēng)不必降溫處理的優(yōu)點，但也帶來通風(fēng)量較大的問題。通風(fēng)降溫的通風(fēng)量L（m3/s）計算方程式為：

式中：△T2為送風(fēng)溫差，℃。

一般工業(yè)建筑環(huán)境允許空間環(huán)境溫升略高于室外溫度且室內(nèi)溫度不得超過35℃[9]，對于船舶機(jī)艙這類高散熱設(shè)備環(huán)境，規(guī)定允許的環(huán)境空間內(nèi)最高溫度不得超過55℃[10]。

2）復(fù)合通風(fēng)方式

通風(fēng)降溫本質(zhì)在于消除設(shè)備散熱。因此，采用循環(huán)水對高熱區(qū)域進(jìn)行間接冷卻帶走一部分熱量從而降低通風(fēng)量。新風(fēng)供給為滿足人員和設(shè)備的供氧需求并承擔(dān)剩余的設(shè)備散熱量，新風(fēng)量計算公式為：

式中：Qp為循環(huán)水間接冷卻通風(fēng)裝置的排熱量，kW。本案例設(shè)計2臺循環(huán)水間接冷卻密閉空間高溫區(qū)空氣裝置：單臺設(shè)備的排熱量為 30 kW、循環(huán)風(fēng)量 2.42m3/ s、回 風(fēng)口尺寸 1.0 m×0.9 m、送 風(fēng)口尺寸 0.5 m×0.3 m。

為改善環(huán)境空間內(nèi)的溫度分布，本 案例同時在低溫區(qū)布置射流通風(fēng)器，它 具有便于布置、氣 流容易控制、可 以誘導(dǎo)環(huán)境空氣實現(xiàn)長距離輸送的特點[11]。根 據(jù)空間實際情況布置了4個射流通風(fēng)系統(tǒng)，每個射流通風(fēng)系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)量為 1.67m3/ s、配 置 30 個 φ4 2mm 圓形射流風(fēng)口、回 風(fēng)口尺寸1.0 m×0.90 m。循 環(huán)水間接冷卻通風(fēng)裝置，射 流通風(fēng)裝置及射流風(fēng)口的布置位置見圖2。

圖2 裝置及風(fēng)口布置平面示意圖

1.3 計算模型

1）計算方法

本文的氣流運動湍流模型選 Realizablek-ε湍流模型。流體速度-壓力的耦合用SIMPLE算法，對流項用二階迎風(fēng)格式，近壁面用增強(qiáng)壁面函數(shù)處理。為提高模擬精度和效率，作如下假設(shè)[12]：

①密閉空間空氣流動過程為不可壓的穩(wěn)態(tài)流動。

②密閉空間溫度較高，對空氣的密度作bossinesq近似，重力加速度取9.8m/s2。

③除密閉空間機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)外，假定密閉空間密封性良好。

④各壁面的輻射傳熱暫不考慮。

⑤忽略粘性力做功引起的耗散熱。

⑥各散熱設(shè)備能均勻地向周圍環(huán)境散熱。

2）網(wǎng)格劃分及邊界條件

因密閉空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文利用Gambit軟件作非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并對高熱流壁面、各風(fēng)口加密網(wǎng)格。

各邊界條件設(shè)置為：機(jī)械進(jìn)、排風(fēng)口：velocity–inlet（速度入口），密閉空間內(nèi)部壁面：絕熱；密閉空間各外圍結(jié)構(gòu)：等壁溫邊界，各散熱設(shè)備表面：恒熱流密度，循環(huán)水間接冷卻通風(fēng)裝置送、回風(fēng)口及射流風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口：velocity inlet（速度入口），射流噴嘴出口：velocity inlet（速度入口）。

2 計算結(jié)果及分析

因該密閉空間通風(fēng)的主要任務(wù)是保證設(shè)備正常運行并提供安全健康環(huán)境，本文考察人員工作區(qū)域、熱流密度較大的發(fā)電機(jī)、動力設(shè)備主機(jī)等設(shè)備周邊空氣的速度場、溫度場。設(shè)鍋爐與主機(jī)之間的人行通道為A通道、兩臺發(fā)電間的人行通道為B通道、距密閉空間底面1.5 m高區(qū)域為人員呼吸區(qū)。

2.1 全新風(fēng)通風(fēng)方式

全新風(fēng)通風(fēng)方式下人員呼吸區(qū)截面的速度和溫度分布見圖3，平均速度和平均溫度分別為1.18m/s、38.3%℃。圖3（a）表明：人員呼吸區(qū)氣流速度場分布不均勻，兩側(cè)速度大（2.5～4.5m/s）、各人行通道的速度較小。因散熱設(shè)備主要位于密閉空間中間區(qū)域，兩側(cè)速度大并不利于排除設(shè)備散熱，仍采取側(cè)送風(fēng)的方式是為了避免下送風(fēng)使新風(fēng)道下方的主機(jī)表面產(chǎn)生巨大熱應(yīng)力而損壞設(shè)備。密閉空間后部中間區(qū)域速度大部分低于0.5m/s，兩臺發(fā)電機(jī)因遠(yuǎn)離新風(fēng)口導(dǎo)致周邊氣流速度較小，尤其是左側(cè)發(fā)電機(jī)和密閉空間前壁面之間區(qū)域的氣流速度極小。圖3（b）顯示密閉空間內(nèi)的溫度場分布較不均勻，密閉空間前側(cè)靠近發(fā)電機(jī)周邊的空氣溫度普遍較高，為43～50%℃左右，部分區(qū)域溫度高達(dá)60%℃。后部的空氣溫度則較低，平均溫升在3～6%℃。左側(cè)后部區(qū)域的空氣溫度約35～36%℃左右，右側(cè)的空氣溫度在37～38%℃左右，這是因新風(fēng)采取了側(cè)送的方式，使得流入兩側(cè)的新風(fēng)較多，同時兩側(cè)的后部區(qū)域均無散熱設(shè)備。

圖4 A通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（全新風(fēng)通風(fēng)方式）

A通道中心截面的速度和溫度分布圖見圖4，平均速度和平均溫度分別為0.80m/s、37.6%℃。圖4（a）顯示A通道中心截面后部上方出現(xiàn)一個速度達(dá)到7～9m/s的明顯紅色區(qū)域，該區(qū)域即為正對新風(fēng)道側(cè)向開口處，周邊的氣流速度也較大。中部出現(xiàn)了速度低于0.5m/s的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)有可能產(chǎn)生了氣流渦旋。圖4（b）顯示A通道中心截面的溫度分布極不均勻。后側(cè)上部因有大量新風(fēng)流入使空氣溫升保持在1%℃以內(nèi)，這使部分新風(fēng)未能得到有效利用。前側(cè)因遠(yuǎn)離新風(fēng)口使空氣溫度普遍較高，尤其是靠近發(fā)電機(jī)的頂部區(qū)域空氣溫度達(dá)到60%℃。

B通道中心截面的速度和溫度分布見圖5，平均速度和平均溫度分別為0.67m/s、38.9%℃。圖5（a）顯示中心截面的速度分布不均勻，最大速度（8.12m/s）出現(xiàn)在排風(fēng)口周邊。2 m以下區(qū)域內(nèi)的速度較小，新風(fēng)口周邊的速度較大，這表明大量新風(fēng)沒能送到B通道上人員工作區(qū)域。圖5（b）顯示中心截面前部區(qū)域溫度較高，溫度梯度也較大，尤其是頂部區(qū)域最高溫度達(dá)到60%℃，是因為該區(qū)域位于兩臺高發(fā)熱量發(fā)電機(jī)周邊。

圖5 B通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（全新風(fēng)通風(fēng)方式）

2.2 復(fù)合通風(fēng)方式

復(fù)合通風(fēng)方式下人員呼吸區(qū)截面的速度和溫度分布見圖6，平均速度和平均溫度分別為1.26m/s、39.0℃。圖6（a）表明：因在密閉空間內(nèi)各處布置了射流風(fēng)口，人員呼吸區(qū)的速度分布較為均勻，后部中間區(qū)域，各人行通道，鍋爐及發(fā)電機(jī)周邊的氣流速度較全新風(fēng)通風(fēng)方式顯著提高。圖6（b）中發(fā)電機(jī)周邊高溫區(qū)域較全新風(fēng)通風(fēng)方式下略有擴(kuò)大是因氣流速度較高使對流換熱加強(qiáng)，也正因為對流換熱的加強(qiáng)使發(fā)電機(jī)周邊空氣的最高溫度由全新風(fēng)通風(fēng)方式下的60%℃降為52℃。

圖6 人員呼吸區(qū)截面的速度云圖、溫度云圖（復(fù)合通風(fēng)方式）

圖7 A通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（復(fù)合通風(fēng)方式）

A通道中心截面的速度和溫度分布見圖7，平均速度和平均溫度分別為1.79m/s、38.4℃。圖7（a）中心截面的速度場較為均勻，各射流風(fēng)口下氣流速度均較大，不存在氣流渦旋。圖7（b）中心截面的溫度場較為均勻，前部和后部的溫度差異較小，靠近循環(huán)水間接冷卻通風(fēng)裝置的上部出現(xiàn)一小區(qū)域溫度較高，靠近發(fā)電機(jī)周邊的高溫區(qū)域消失。

B通道中心截面的速度和溫度分布見圖8，平均速度和平均溫度分別為1.07m/s、39.3%℃。圖8（a）中各射流風(fēng)口下速度較大且分布較為均勻。圖8（b）顯示中心截面大部分區(qū)域溫度均在39%℃左右。僅在靠近發(fā)電機(jī)周邊空氣溫度較高，主要在43～46%℃左右，頂部周邊少量區(qū)域空氣溫度超過50%℃，最高溫度仍然不超過52%℃。

圖8 B通道中心截面的速度云圖、溫度云圖（復(fù)合通風(fēng)方式）

2.3 對比分析

由模擬結(jié)果可知，復(fù)合通風(fēng)方式較全新風(fēng)通風(fēng)方式下該高散熱密閉空間內(nèi)空氣流場有以下變化：1）人員呼吸區(qū)截面，A通道中心截面，B通道中心截面的平均速度，平均溫度見表2。各截面的平均速度顯著提高，平均速度的提高是因為射流風(fēng)機(jī)抽吸密閉空間尾部低溫區(qū)的氣流并從各處的射流風(fēng)口以較高速度射出，有利于改善溫度分布的均勻性。各截面平均溫度略有下降，溫度場的均勻性因各射流風(fēng)口送出的較低溫度空氣而改善明顯。2）高散熱設(shè)備發(fā)電機(jī)周圍空氣的最高溫度由60%℃降為52℃，超過50℃高溫區(qū)域明顯減小，因為循環(huán)水間接冷卻通風(fēng)裝置通過抽吸發(fā)電機(jī)周圍的頂部區(qū)域高溫空氣和循環(huán)水換熱后以較低溫度的空氣送入該密閉空間。

表2 兩種通風(fēng)方式截面的平均速度及平均溫度

3 結(jié)論

本文針對某高散熱密閉空間通風(fēng)降溫問題，分析了該密閉空間在不采取通風(fēng)措施下空氣的平均溫升速率。并運用模擬試驗的方法分析了全新風(fēng)通風(fēng)方式和擬采用的復(fù)合通風(fēng)方式，結(jié)果表明。

1）若不采取任何通風(fēng)措施時，空氣的平均溫升速率達(dá)到0.30℃/s。

2）全新風(fēng)通風(fēng)方式下通風(fēng)量大，密閉空間內(nèi)空氣速度場和溫度場的均勻性較差，發(fā)電機(jī)等設(shè)備周圍空間環(huán)境溫度超過設(shè)計溫度上限。

3）擬采用的復(fù)合通風(fēng)方式下空氣的速度場和溫度場均勻。與全新風(fēng)通風(fēng)方式相比，各截面平均速度均提高60%以上。發(fā)電機(jī)周邊空氣溫度下降8%℃左右。

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